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首次發現!山東大學張清和團隊揭開“太空台風”奧秘


山東熱搜大眾報業集團官方帳號“太空台風”示意圖低層大氣中發生的強烈熱帶氣旋被稱為台風或颶風。令科學家好奇的是,在地球或者其他行星的高層大氣中,是否也存在類似的現象?在空間科學家看來,與低層大氣的中性粒子環境不同的是,高層大氣(磁層和電離層)屬等離子體(帶電粒子)環境,如果真的存在台風或颶風現象,將預...

- 2021年2月24日
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“太空台風”示意圖

低層大氣中發生的強烈熱帶氣旋被稱為台風或颶風。令科學家好奇的是,在地球或者其他行星的高層大氣中,是否也存在類似的現象?

在空間科學家看來,與低層大氣的中性粒子環境不同的是,高層大氣(磁層和電離層)屬等離子體(帶電粒子)環境,如果真的存在台風或颶風現象,將預示著一次非常高效率的日地能量耦合過程。“發現高層大氣的這種特殊現象,將更新人們對太陽風-磁層-電離層耦合過程的認識。”張清和告訴《中國科學報》,“因此,全球科學家一直在努力尋覓它的蹤影。”

不過,由於高層大氣空間浩大、環境惡劣,長期以來這一區域內觀測缺乏,類似台風或颶風的現象一直沒有現身。

針對這一科學挑戰,近年來張清和帶領團隊與國內外研究者合作,利用系列先進的觀測設備或裝置以及計算機數值模擬,展開了系統研究。研究團隊所采用的“利器”包括
月球軌道衛星、電離層衛星和我國南北極地面台站等,以及中科院空間中心對相關事件的
高時空分辨率三維太陽風-磁層-電離層耦合磁流體力學模擬

2014年8月20日出現在北極的一種巨型極光亮斑引起研究人員的高度關注。當時,正處於一次長時間的地磁極端平靜條件下,地球北極磁極點附近出現類似於台風氣旋狀的極光亮斑結構,其水平尺度超過1000公裏。

“通常情況下,磁極點附近的極蓋區是沒有明顯極光的,極光大都發生在緯度較低的極光橢圓內。”張清和指出,“而它的亮度比極光橢圓內的極光要強得多,所以顯然這個亮斑不是我們見過的極光。”

更為全面地觀測數據表明,該結構伴隨有明顯的強的亮斑狀上行場向電流、強等離子體對流渦旋剪切、離子上行、局部電子溫度上升1000K 以上、先負後正的雙極磁場結構、沉降電子被加速到10keV以上、堪比超級磁暴的電子沉降能通量等特點。

對此,研究人員認為,其與台風或颶風的特征非常類似,包括中心處“台風眼”的等離子體速度接近為0、預示著磁場存在圓形擾動等。因此,他們將這一從未觀察到的新現象命名為
“太空台風”

DMSP衛星的極光和AMPERE的場向電流觀測圖像。圖像被投影在地磁與磁地方時坐標系中,是從北極上空往下看的效果。

該事件期間,中科院空間中心三維磁流體力學模擬的場向電流分布在磁層的三維切片圖和在電離層的投影圖以及部分磁力線的三維分布圖。

研究人員還經過進一步觀測與模擬對比分析揭示了“太空台風”
形成的機制。這一長時間極端平靜期內,發生在地球高緯磁層頂的較為穩定的尾瓣磁場重聯及其引起的磁力線或磁流管的演化,促使在地球北極的磁極點上方的電離層與磁層形成了一個巨大的順時針旋轉的漏鬥形磁螺旋結構。該結構形成了太陽風帶電粒子直接進入地球中高層大氣和電離層離子上行和逃逸至磁層的通道,極大提升了太陽風-磁層能量的耦合效率。同時,該結構所引起的極端空間天氣環境也能直接影響相關區域內的無線通訊導航與定位、超視距雷達探測和衛星的正常運行等。

“太空台風”的形成在極區電離層和磁層的示意圖

張清和表示,這一研究表明,在極端平靜地磁條件下,極區仍可能存在堪比超級磁暴活動時的局地劇烈地磁擾動和能量注入現象,這更新了人們對極端平靜條件下太陽風-磁層-電離層耦合過程的認識。張清和為該研究論文的第一和通訊作者,美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研究員張永良及中科院空間中心研究員王赤團隊等做出重要貢獻。該項研究受國家自然科學基金、國家子午工程和國際空間科學研究所等項目支持。

論文DOI:10.1038/s41467-021-21459-y

來源:山東大學

素材來自中國科學報

文 | 甘曉

圖片來自研究團隊

編輯 | 胥雯惠

責任編輯 | 苗立群

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